Gravitationslinseneffekt bestätigt Hubble-Spannung

Wir wissen seit langem, dass sich das Universum ausdehnt. Die erste solide Arbeit zum Nachweis der kosmischen Expansion wurde 1929 von Edwin Hubble veröffentlicht und basiert auf Beobachtungen von Vesto Slipher, Milton Humason und Henrietta Leavitt.

Aus diesem Grund wird die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion als Hubble-Konstante oder Hubble-Parameter H bezeichnet.₀. Aus diesem Parameter können Sie beispielsweise das Alter des Universums seit dem Urknall berechnen und so den Wert von H ermitteln₀ ist von zentraler Bedeutung für unser Verständnis der modernen Kosmologie.

Der gemessene Wert des Hubble-Parameters schwankte zunächst erheblich. Hubbles Anfangswert lag in der Größenordnung von 500 (km/s)/Mpc. In den 1960er Jahren stabilisierte sich der Wert zwischen 50 und 90 (km/s)/Mpc, ein Niveau, auf dem er für den größten Teil des 20. Jahrhunderts blieb. Es war schwierig, genauer zu sein, da unsere Berechnungsmethoden begrenzt waren.

All dies basierte auf der Leiter der kosmischen Distanz, die eine Reihe von Beobachtungen nutzt, um immer größere kosmische Distanzen zu berechnen, wobei jede auf der vorherigen Methode aufbaut. Aber in den letzten Jahrzehnten sind wir ziemlich gut darin geworden, und der Hubble-Wert schien sich bei etwa 70 (km/s)/Mpc zu stabilisieren. Danach wurde es … problematisch.

Mit Satelliten wie WMAP und Planck haben wir begonnen, hochauflösende Karten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zu erhalten. Dank der Schwankungen in diesem Zusammenhang haben wir eine neue Möglichkeit, H zu messen₀ und erhalten Sie einen Wert von 67-68 (km/s)/Mpc. Gleichzeitig legen Beobachtungen entfernter Supernovae und die kosmische Entfernungsskala den Wert auf 73-75 (km/s)/Mpc fest.

Beide Methoden sind ziemlich genau, und doch stimmen sie überhaupt nicht überein. Diese Meinungsverschiedenheit ist heute als Hubble-Spannungsproblem bekannt und das lästigste Rätsel der Kosmologie.

Wir wissen nicht genau, was Hubbles Spannung verursacht. Dies könnte bedeuten, dass eine oder mehrere unserer Beobachtungsmethoden grundlegend fehlerhaft sind, oder es könnte bedeuten, dass es etwas mit der Dunklen Energie und der kosmischen Expansion gibt, das wir nicht wirklich verstehen.

Aber Astronomen sind sich im Allgemeinen einig, dass eine Möglichkeit zur Lösung dieses Rätsels darin besteht, nach Möglichkeiten zur Messung von H zu suchen₀ die sowohl vom kosmischen Hintergrund als auch vom Maßstab der kosmischen Entfernungen unabhängig sind. Eine dieser Methoden ist der Gravitationslinseneffekt.

Gravitationslinsen entstehen, weil die Schwerkraft den Raum verzerrt, was bedeutet, dass der Weg des Lichts durch die Anwesenheit großer Massen abgelenkt werden kann. Wenn sich beispielsweise aus unserer Sicht eine entfernte Galaxie hinter einer näheren Galaxie befindet, sehen wir eine gravitativ verzerrte Ansicht der entfernten Galaxie oder sogar mehrere Bilder der Galaxie.

Das Interessante am Mehrfachbildeffekt ist, dass das Licht von jedem Bild einen anderen Weg um die nächstgelegene Galaxie zurücklegt, jede mit einer anderen Entfernung. Da die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist, bedeutet dies, dass uns jedes Bild einen Blick auf die Galaxie zu verschiedenen Zeitpunkten in der Geschichte gibt.

Für Galaxien spielt das keine große Rolle, aber für Supernovae bedeutet es, dass die Gravitationslinse es uns ermöglichen kann, dieselbe Supernova mehrmals zu beobachten. Indem wir den Weg jedes Supernova-Bildes berechnen, können wir die relative Entfernung jedes Wegs bestimmen, und indem wir das Erscheinen jedes Bilds zeitlich festlegen, können wir die tatsächliche Entfernung bestimmen. Dies gibt uns ein unabhängiges Maß für die kosmische Entfernungsskala und eröffnet uns eine neue Möglichkeit, den Hubble-Parameter zu messen.

Diese Methode wurde mehrmals verwendet, aber die Unsicherheiten in ihren Hubble-Werten waren nicht klein genug, um die Hubble-Spannung zu erfüllen. Eine neue Studie, die diese Methode verwendet, ist jedoch ausreichend genau. Die Arbeit ist auf der veröffentlicht arXiv Preprint-Server.

Die Studie basiert auf JWST-Bildern einer Supernova vom Typ Ia namens SN H0pe. Es handelt sich um eine der am weitesten entfernten Supernovae, die jemals beobachtet wurde, und mithilfe des weniger entfernten Galaxienhaufens G165 hat das Team drei Linsenbilder von SN H0pe aufgenommen. Mithilfe ihres Timings, der beobachteten Leuchtkraft und der berechneten Flugbahnen berechnete das Team H₀ 70 bis 83 (km/s)/Mpc betragen. Diese Methode weist immer noch eine höhere Unsicherheit als andere Methoden auf, stimmt jedoch mit der üblichen Entfernungsskalenmethode überein. Dies steht auch eindeutig im Widerspruch zur Methode des kosmischen Mikrowellenhintergrunds.

Trotz H0pe ist die Hubble-Spannung sehr real. Im Gegenteil, dieses neue Ergebnis macht das Problem noch problematischer. Es gibt etwas an der kosmischen Expansion, das wir nicht verstehen, und es ist jetzt klar, dass bessere Beobachtungen allein dieses Rätsel nicht lösen können.